CN111769194B - 一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器，其特征在于：其结构由下至上依次包括底电极层、锯齿结构纳米线层、顶电极层；所述锯齿结构纳米线层的功能是作为阻变功能和光电传感的共同层，锯齿结构纳米线底端与底电极层一侧连接，另一端与顶电极层一侧连接。优点如下：该结构器件表现出优异的忆阻特性以及光信号驱动阻态转换的特性，为忆阻器在视觉存储领域的机理的探究、器件性能的优化提供了研究路径。且具有高的结构稳定性，优异的电学性能，高的便携性。本发明制备方法简单，成本低廉，性能优异，在人工视网膜，人工智能，便携可穿戴等领域应用广泛，有利于探索新型的视觉存储系统的工作机制。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器，且该器件具有稳定，低能耗，可由光脉冲驱动的忆阻特性，属于视觉存储器件技术领域。
背景技术
人眼视觉记忆是由视网膜接收图像信息而形成的，它能使人记住我们眼睛观察到的图像的印象。近年来，模拟人眼视觉系统的研究取得了重大进展，主要是利用图像传感器阵列来实现对人眼视觉系统的识别功能感知图像。遗憾的是，尽管目前的图像传感器设备能够实时识别一些指定的图像，但与人类视觉记忆相比，即使在去除外部图像刺激后，也很少有研究能够保留和记忆检测到的图像信息。图像传感器阵列与视觉系统之间的不足，启发了图像传感器与存储设备的逻辑集成，实现了对光信息的感知和存储过程，为人类视觉记忆的仿生设计提供了依据。
忆阻器为模拟人类神经系统的记忆功能提供了一种很有前途的硬件基础。它本质上是一种以金属-阻变层-金属三明治结构作为突触两端的记忆电阻器件，其电阻可以在高阻状态和低阻状态之间进行切换，可以对应于两种或两种以上的逻辑状态。研究者已经认识到了利用忆阻器模拟突触可塑性、神经形态计算等能力，并且由于记忆装置的工作机制与神经元间突触的传递信息行为是相近的，因此忆阻器模拟生物突触是可行的。然而目前，图像传感器和存储设备的电子集成仍然是模拟人类视觉存储系统的主流，一体化的器件研究仍然相对匮乏。受忆阻器特性的启发，光敏忆阻器将为实现一体化人类视觉记忆的模拟提供有效的途径。
发明内容
针对视觉存储系统存在的问题，本发明结合锯齿结构纳米线的忆阻特性，根据光敏忆阻器的原理，提出了一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器，为光敏忆阻机理的探究提供了新的路径，可提升忆阻器的电学性能，光识别性能，在人工视觉模拟和存储方面表现出良好的特性，为视觉存储器的发展提供了优良的前景。
本发明的难点在于设计了由金属纳米线网络构成的顶电极层与锯齿结构纳米线层及柔性衬底作为底电极构成了柔性光电传感忆阻器的器件结构。本发明通过利用特殊的材料结构，将忆阻特性和光电传感特性相结合，使器件具备光电传感的忆阻特性。本发明利用简单的制备方法，大大简化了器件的制作成本以及可大规模制备的可行性。本发明利用新型的光电传感忆阻机理实现了柔性光电传感忆阻器的制备。
本发明采用以下技术方案：
一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器，其特征在于：其结构由下至上依次包括底电极层、锯齿结构纳米线层、顶电极层；所述锯齿结构纳米线层的功能是作为阻变功能和光电传感的共同层，锯齿结构纳米线底端与底电极层一侧连接，另一端与顶电极层一侧连接。
所述顶电极层采用金属纳米线网络，具体为银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、铂(Pt)中的一种；纳米线长度为5～100微米，直径为10～200纳米；锯齿结构纳米线层中，纳米线长度为0.1～100微米，直径为2～1500纳米；底电极层，采用柔性导电衬底或镀有导电薄膜的柔性半导体或绝缘体衬底。
所述的锯齿结构纳米线为光敏锯齿结构纳米线，包括对光敏感的氮化物为：氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)；氧化物为：氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)；硫化物为：硫化钼(MoS2)中的一种；光敏感的类型包含紫外光、可见光、红外光中的一种。
锯齿结构为在制备纳米线过程当中生长或后续加工而成的锯齿状表面突起，如图2所示。
在电场作用下，纳米线中的阳离子缺陷和阴离子缺陷会延锯齿结构形成极化分布，通过施加不同方向电场调节表面缺陷离子的分布情况，从而改变器件的电导；在施加电场过程中，锯齿结构纳米线的结构不会发生变化。
所述的锯齿结构纳米线，即光敏锯齿结构纳米线，经过电场作用后，极化的缺陷离子会产生内建电场，在外界光脉冲的激发下，内建电场中的缺陷离子会延内建电场方向进行迁移，使纳米线表面缺陷离子的分布情况变化，从而改变器件的电导；在施加光脉冲的过程中，锯齿结构纳米线的结构不会发生变化。
所述的顶电极层采用喷涂的制备方法，具体的方法为：利用金属纳米线配置好浓度为5～100mg/ml的溶液中，所述溶液包括水(H2O)、乙醇(C2H6O)、异丙醇(C3H8O)；将配置好的溶液放入喷枪当中，在长有复合纳米线网络结构的衬底上放上掩模版，利用喷枪喷涂配置好的溶液，喷射时间为1～120秒，喷射距离为5～50厘米；喷涂完成后放入烘箱，设置温度为50～200摄氏度，烘干5～120分钟；此时，由金属纳米线网络构成的顶电极与复合纳米线结构层的顶端相互连接，具有接触特性。
所述的柔性导电衬底包括：碳纤维(C)、碳布(C)、泡沫镍(Ni)、镍箔(Ni)、铜箔(Cu)中的一种；所述的镀有导电薄膜的柔性半导体或绝缘体衬底类型包括：石英纤维(SiO2)，聚酰亚胺薄膜(PI)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的一种。
所述的导电薄膜类型包括：银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、铂(Pt)、镍(Ni)、ITO、氮化钛(TiN)中的一种；其中，导电薄膜厚度为2～500纳米。
所述的锯齿结构纳米线的制备方法包括各种化学气相沉积、水热法中的一种制成；所述的导电薄膜通过磁控溅射、原子层沉积、电子束沉积、电化学沉积、各种化学气相沉积中的一种制成。
应用本发明的忆阻器实现忆阻效应的方法：
步骤一、电学信号刺激过程，底电极层接地，在负向电场作用下，纳米线中的阳离子缺陷和阴离子缺陷会延锯齿结构形成极化分布，阴离子缺陷分布在锯齿结构纳米线表面，阳离子缺陷分布在锯齿结构纳米线内部，从而改变器件的电阻状态，即由高阻态变为低阻态或由低阻态变为高阻态，其中，阻态状态的如何变化基于阴离子缺陷和阳离子缺陷分别对纳米线电导是增强还是减弱的影响；在正向电场作用下，阴离子缺陷分布在锯齿结构纳米线内部，阳离子缺陷分布在锯齿结构纳米线表面，从而使器件电阻状态产生相反的变化。
步骤二、光脉冲信号刺激过程，在电学信号刺激过后，内部极化分布的缺陷离子产生内建电场，在光脉冲信号作用下，内部缺陷离子延内建电场各自部位相反的方向迁移，使极化分布减弱，造成电阻状态的变化。
与现有技术相比，本发明一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器，利用锯齿结构与光敏感纳米线材料相结合，并利用金属纳米线网络构成顶电极，设计并制备出具有光电传感忆阻特性的新型柔性忆阻器件。此结构器件具有更低的制作成本，可大范围的制备潜力，在器件功能上具有如下优点：
1.与现有的光电传感忆阻器相比，由金属纳米线网络构成的顶电极和锯齿结构纳米线层及柔性衬底相结合，使器件在柔性器件方面具有更好的可塑性，有利于降低器件制备成本，为大规模生产提供基础。
2.在电场作用下，锯齿结构为离子迁移提供，缩短以及固定路径，降低柔性器件功耗，提高柔性器件稳定性；
3.在光信号作用下，光敏感的锯齿结构纳米线可以有效地进行光电信号的转换和存储；
4.基于缺陷离子在纳米线锯齿结构中的极化迁移产生忆阻效应。
5.利用一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器中，柔性电极与锯齿结构纳米线的结合，有利于仿生设备和可穿戴设备的开发和应用。
附图说明
图1是一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器的结构示意图。
图2是一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器中单根锯齿结构纳米线结构示意图。
图3是一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器的制备技术路线图。
图4a是以碳布为底电极的锯齿结构纳米线层的FE-SEM图。
图4b是一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器的FE-SEM图。
图4c是单根锯齿结构纳米线的FE-SEM图。
图4d是一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器的实物图。
图5a是一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器的电学测量图。扫描范围为-1.5～1.5V,扫描循环个数为300。
图5b是器件阻态存储时间的电学测量图，阻态读取电压为0.1V。
图6是光脉冲信号激发的存储器阻态变化电学测量图，光脉冲为波长为365nm的紫外光，脉宽为10s，器件在经过10s的光脉冲刺激后阻态由高阻态变为低阻态，撤去光脉冲后，阻态依然保持低阻态持续100s以上的时间；再通过电信号将器件reset之后由重新变为高阻态。
图中具体标号如下：
201-顶电极层；101-锯齿结构纳米线层；202-底电极层；
102-锯齿结构纳米线结构图。
具体实施方式
本发明结合附图1-6作进一步详细说明，所述实施例旨在便于对本发明的了解，其特定的结构细节和功能细节仅是表示描述示例实施例的目的，对其不起任何限定作用。因此，可以以许多可形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于再次提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。
本实施例中，基于“顶端电极/锯齿结构纳米线层/底端电极”结构，如图1所示，该结构从上至下有顶电极层201，锯齿结构纳米线层101，底电极层202，其中锯齿结构纳米线层101由多根纳米线结构如图2所示的纳米线102构成。
该结构采用微波等离子体化学气相沉积，喷涂，等方法，由下至上在衬底上逐层制备。如图3所示，具体制备过程如下：
步骤一、选用碳布(C)作为底电极层202，利用磁控溅射溅射15纳米金(Au)薄膜，然后垂直放入盛有3g氧化镓(Ga2O3)与活性炭(C)混合粉末的刚玉坩埚一侧，混合摩尔比为Ga2O3：C＝1：12，再将坩埚放入微波等离子体化学气相沉积系统当中。
步骤二、通过微波等离子体化学气相沉积在Si表面生长一层锯齿结构氮化镓(GaN)纳米线，FE-SEM图如图4a所示，单根结构的FE-SEM图如图4c所示。
步骤三、利用喷涂技术在结构101之上，将电极掩模版盖在长有锯齿结构纳米线的碳布之上，利用银(Ag)纳米线配置好浓度为20mg/ml的乙醇溶液中；将配置好的溶液放入喷枪当中，利用喷枪喷涂配置好的溶液，喷射时间为20秒，喷射距离为15厘米；喷涂完成后放入烘箱，设置温度为150摄氏度，烘干90分钟，FE-SEM图如图4b所示。所制备的器件光镜图如图4d所示。
利用半导体参数分析测试仪测试上述器件如图5a和b所示。在测试过程中，底电极层接地，对顶电极层银纳米线网络施加负向和正向电压。在电场的作用下，会再锯齿结构上形成分电场，其中缺陷离子沿分电场方向即锯齿结构方向进行极化迁移，在氮化镓中缺陷离子主要包括镓空位，氮空位，和氧离子，其中氧离子和镓空位呈负电性，氮空位呈正电性。而氧离子会提高氮化镓的电导，镓空位属于潜能级缺陷对电子流动影响较小，因此当负电性缺陷离子迁移至纳米线表面时，器件阻态变为低阻态。而氮空位为深能级缺陷，会形成电子陷阱阻碍电子移动，因此当正电性缺陷离子迁移至纳米线表面时，器件阻态变为高阻态。该器件显示出良好的阻变开关特性。
在光脉冲信号激发的测试当中，对顶电极层银纳米线网络施加0.1V的偏压，在电场作用下，电子会形成定向流动而缺陷离子由于能量不够不足以发生迁移，当施加光脉冲信号后，锯齿结构中极化的缺陷离子向相反方向迁移，改变了器件电阻状态，由高阻态变为低阻态，且撤去光脉冲信号后，仍然保持低阻态。施加正向电压，器件实现擦除过程，重新变为高阻态，循环三次，如图6所示。
综上所示，该器件表现出明显的忆阻特性，并且呈现出显著的光脉冲信号调制阻态能力。
Claims (9)
1.一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器，其特征在于：其结构由下至上依次包括底电极层、锯齿结构纳米线层、顶电极层；所述锯齿结构纳米线层的功能是作为阻变功能和光电传感的共同层，锯齿结构纳米线底端与底电极层一侧连接，另一端与顶电极层一侧连接；
所述顶电极层采用金属纳米线网络，具体为银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、铂(Pt)中的一种；纳米线长度为5～100微米，直径为10～200纳米；锯齿结构纳米线层中，纳米线长度为0.1～100微米，直径为2～1500纳米；底电极层，采用柔性导电衬底或镀有导电薄膜的柔性半导体或绝缘体衬底。
2.根据权利要求1所述的一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器，其特征在于：所述的锯齿结构纳米线为光敏锯齿结构纳米线，包括对光敏感的氮化物为：氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)；氧化物为：氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)；硫化物为：硫化钼(MoS2)中的一种；光敏感的类型包含紫外光、可见光、红外光中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器，其特征在于：锯齿结构为在制备纳米线过程当中生长或后续加工而成的锯齿状表面突起。
4.根据权利要求1所述的一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器，其特征在于：在电场作用下，纳米线中的阳离子缺陷和阴离子缺陷会延锯齿结构形成极化分布，通过施加不同方向电场调节表面缺陷离子的分布情况，从而改变器件的电导；在施加电场过程中，锯齿结构纳米线的结构不会发生变化。
5.根据权利要求1所述的一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器，其特征在于：所述的锯齿结构纳米线，即光敏锯齿结构纳米线，经过电场作用后，极化的缺陷离子会产生内建电场，在外界光脉冲的激发下，内建电场中的缺陷离子会延内建电场方向进行迁移，使纳米线表面缺陷离子的分布情况变化，从而改变器件的电导；在施加光脉冲的过程中，锯齿结构纳米线的结构不会发生变化。
6.根据权利要求1所述的一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器，其特征在于：所述的顶电极层采用喷涂的制备方法，具体的方法为：利用金属纳米线配置好浓度为5～100mg/ml的溶液中，所述溶液包括水(H2O)、乙醇(C2H6O)、异丙醇(C3H8O)；将配置好的溶液放入喷枪当中，在长有复合纳米线网络结构的衬底上放上掩模版，利用喷枪喷涂配置好的溶液，喷射时间为1～120秒，喷射距离为5～50厘米；喷涂完成后放入烘箱，设置温度为50～200摄氏度，烘干5～120分钟；此时，由金属纳米线网络构成的顶电极与复合纳米线结构层的顶端相互连接，具有接触特性。
7.根据权利要求1所述的一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器，其特征在于：所述的柔性导电衬底包括：碳纤维(C)、碳布(C)、泡沫镍(Ni)、镍箔(Ni)、铜箔(Cu)中的一种；所述的镀有导电薄膜的柔性半导体或绝缘体衬底类型包括：石英纤维(SiO2)，聚酰亚胺薄膜(PI)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器，其特征在于：所述的导电薄膜类型包括：银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、铂(Pt)、镍(Ni)、ITO、氮化钛(TiN)中的一种；其中，导电薄膜厚度为2～500纳米。
9.根据权利要求1所述的一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器，其特征在于：所述的锯齿结构纳米线的制备方法包括各种化学气相沉积、水热法中的一种制成；所述的导电薄膜通过磁控溅射、原子层沉积、电子束沉积、电化学沉积、各种化学气相沉积中的一种制成。
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